Un motor de carga estratificada describe un cierto tipo de motor de combustión interna , generalmente un motor de encendido por chispa (SI) que puede usarse en camiones, automóviles y equipos portátiles y estacionarios. El término "carga estratificada" se refiere a los fluidos de trabajo y vapores de combustible que ingresan al cilindro. Por lo general, el combustible se inyecta en el cilindro o ingresa como un vapor rico en combustible donde se utiliza una chispa u otros medios para iniciar el encendido donde la zona rica en combustible interactúa con el aire para promover la combustión completa. Una carga estratificada puede permitir relaciones de compresión ligeramente más altas sin " detonación " y una relación aire/combustible más pobre que en los motores de combustión interna convencionales.
Convencionalmente, un motor de ciclo Otto de cuatro tiempos (gasolina o gasolina) se alimenta aspirando una mezcla de aire y combustible hacia la cámara de combustión durante la carrera de admisión. Esto produce una carga homogénea: una mezcla homogénea de aire y combustible, que se enciende mediante una bujía en un momento predeterminado cerca de la parte superior de la carrera de compresión .
En un sistema de carga homogéneo, la relación aire/combustible se mantiene muy cerca de la estequiométrica , lo que significa que contiene la cantidad exacta de aire necesaria para la combustión completa del combustible. Esto proporciona una combustión estable, pero impone un límite superior a la eficiencia del motor: cualquier intento de mejorar la economía de combustible utilizando una mezcla mucho más pobre (menos combustible o más aire) con una carga homogénea da como resultado una combustión más lenta y una temperatura del motor más alta; esto repercute en la energía y las emisiones, aumentando notablemente los óxidos de nitrógeno o NOx .
En términos simples, un motor de carga estratificada crea una mezcla más rica de combustible cerca de la chispa y una mezcla más pobre en el resto de la cámara de combustión. La mezcla rica se enciende fácilmente y a su vez enciende la mezcla pobre en el resto de la cámara; en última instancia, permite que el motor utilice una mezcla más pobre, mejorando así la eficiencia y garantizando una combustión completa.
Se puede utilizar una relación de compresión mecánica más alta , o una relación de compresión dinámica con inducción forzada , para mejorar la eficiencia termodinámica . Debido a que el combustible no se inyecta en la cámara de combustión hasta justo antes de que se requiera que comience la combustión, hay poco riesgo de preencendido o de detonación del motor .
El motor también puede funcionar con una relación general aire/combustible mucho más pobre, utilizando carga estratificada, en la que primero se enciende una pequeña carga de una mezcla rica de combustible y se utiliza para mejorar la combustión de una carga más grande de una mezcla pobre de combustible.
Las desventajas incluyen:
La combustión puede ser problemática si hay una mezcla pobre en la bujía. Sin embargo, alimentar un motor de gasolina directamente permite que se dirija más combustible hacia la bujía que hacia cualquier otra parte de la cámara de combustión. [1] Esto da como resultado una carga estratificada: aquella en la que la relación aire/combustible no es homogénea en toda la cámara de combustión, sino que varía de forma controlada (y potencialmente bastante compleja) a lo largo del volumen del cilindro.
La estratificación de la carga también se puede lograr donde no existe una estratificación "dentro del cilindro": la mezcla de entrada puede ser tan pobre que no puede encenderse con la energía limitada que proporciona una bujía convencional. Sin embargo, esta mezcla excepcionalmente pobre puede encenderse mediante el uso de una mezcla convencional con una concentración de 12-15:1, en el caso de un motor de gasolina, y alimentarse a una pequeña cámara de combustión adyacente y conectada a la mezcla pobre principal. cámara de mezcla. El gran frente de llama de esta mezcla ardiente es suficiente para quemar la carga. A partir de este método de estratificación de carga se puede ver que la carga pobre se "quema" y el motor que utiliza esta forma de estratificación ya no está sujeto a "golpes" o combustión incontrolada. Por lo tanto, el combustible que se quema en la carga pobre no tiene "detonación" ni restricción de octanaje. Por tanto, este tipo de estratificación puede utilizar una amplia variedad de combustibles; la producción de energía específica depende únicamente del poder calorífico del combustible.
Se dirige una mezcla relativamente rica de aire y combustible a la bujía mediante inyectores de orificios múltiples. Esta mezcla genera chispas, dando un frente de llama fuerte, uniforme y predecible. Esto a su vez da como resultado una combustión de alta calidad de la mezcla mucho más débil en el resto del cilindro.
Vale la pena comparar los motores de gasolina contemporáneos de combustible directo con los motores diésel de inyección directa . La gasolina puede quemar más rápido que el diésel , lo que permite velocidades máximas del motor más altas y, por tanto, una mayor potencia máxima para los motores deportivos. El combustible diésel, por otro lado, tiene una mayor densidad energética y, en combinación con presiones de combustión más altas, puede generar un par muy fuerte y una alta eficiencia termodinámica para vehículos de carretera más "normales".
Esta comparación de tasas de "quema" es una visión bastante simplista. Aunque los motores de gasolina y diésel parecen funcionar de manera similar, los dos tipos funcionan según principios completamente diferentes. En ediciones anteriores, las características externas eran obvias. La mayoría de los motores de gasolina tenían carburador, aspirando la mezcla de combustible y aire hacia el motor, mientras que el diésel solo aspiraba aire y el combustible se inyectaba directamente a alta presión en el cilindro. En el motor de gasolina convencional de cuatro tiempos, la bujía comienza a encender la mezcla en el cilindro hasta cuarenta grados antes del punto muerto superior, mientras el pistón todavía se desplaza hacia arriba por el orificio. Dentro de este movimiento del pistón hacia arriba por el orificio, se produce una combustión controlada de la mezcla y la presión máxima se produce justo después del punto muerto superior, disminuyendo la presión a medida que el pistón desciende por el orificio. es decir, el volumen del cilindro en relación con la generación de presión-tiempo del cilindro permanece esencialmente constante durante el ciclo de combustión. Por otro lado, el funcionamiento del motor diésel inhala y comprime aire sólo mediante el movimiento del pistón que se mueve hasta el punto muerto superior. En este punto se ha alcanzado la presión máxima del cilindro. El combustible ahora se inyecta en el cilindro y la "quema" o expansión del combustible comienza en este punto por la alta temperatura del aire, ahora comprimido. A medida que el combustible se quema, se expande ejerciendo presión sobre el pistón, que a su vez desarrolla par en el cigüeñal. Se puede observar que el motor diesel funciona a presión constante. A medida que el gas se expande, el pistón también desciende por el cilindro. De este modo, el pistón y, posteriormente, la manivela experimentan un par mayor, que también se ejerce durante un intervalo de tiempo más largo que su equivalente de gasolina.
El principio de inyectar combustible directamente en la cámara de combustión en el momento en que se requiere que comience la combustión fue inventado por primera vez por George Brayton en 1887, pero se ha utilizado con buenos resultados en los motores de gasolina durante mucho tiempo. Brayton describe su invento de la siguiente manera: "He descubierto que los aceites pesados se pueden convertir mecánicamente en una condición finamente dividida dentro de una porción de disparo del cilindro o en una cámara de disparo comunicante". Otra parte dice: "Por primera vez, hasta donde alcanza mi conocimiento, he regulado la velocidad controlando de forma variable la descarga directa de combustible líquido en la cámara de combustión o cilindro en una condición finamente dividida altamente favorable para la combustión inmediata". Este fue el primer motor que utilizó un sistema de mezcla pobre para regular la velocidad/potencia del motor. De esta manera, el motor arrancaba en cada golpe de potencia y la velocidad/potencia se controlaba únicamente por la cantidad de combustible inyectado.
Harry Ricardo comenzó a trabajar con la idea de un motor de "carga estratificada" de combustión pobre a principios del siglo XX. En la década de 1920 realizó mejoras en sus diseños anteriores.
Un ejemplo temprano de inyección directa de gasolina fue el motor Hesselman inventado por el ingeniero sueco Jonas Hesselman en 1925. Los motores Hesselman utilizaban el principio de combustión ultra pobre e inyectaban el combustible al final de la carrera de compresión y luego lo encendían con una bujía. A menudo arrancaban con gasolina y luego pasaban a funcionar con diésel o queroseno. El Sistema de Combustión Controlada Texaco (TCCS) era un sistema multicombustible desarrollado en la década de 1950 que se parecía mucho al diseño de Hesselman. El TCCS se probó en camionetas de reparto de UPS y se encontró que tenía un aumento general en la economía de alrededor del 35%.
El motor CVCC de Honda , lanzado a principios de la década de 1970 en los modelos Civic y luego en Accord y City más adelante en la década, es una forma de motor de carga estratificada que tuvo una amplia aceptación en el mercado durante un tiempo considerable. El sistema CVCC tenía válvulas de entrada y escape convencionales y una tercera válvula de entrada suplementaria que cargaba un área alrededor de la bujía. La bujía y la entrada CVCC estaban aisladas del cilindro principal mediante una placa de metal perforada. En el momento del encendido, una serie de frentes de llamas se dispararon hacia la carga principal, muy pobre, a través de las perforaciones, asegurando el encendido completo. En el Honda City Turbo, estos motores producían una alta relación potencia-peso a velocidades de motor de 7.000 rpm y superiores.
En la década de 1980, Jaguar Cars desarrolló el motor Jaguar V12 , versión HE (llamada High Efficiency), que encajaba en los modelos Jaguar XJ 12 y Jaguar XJS y utilizaba un diseño de carga estratificada llamado 'May Fireball' para reducir la velocidad del motor. alto consumo de combustible..
La scooter Vespa ET2 tenía un motor de dos tiempos de 50 cc en el que se admitía aire a través del puerto de transferencia y se inyectaba una rica mezcla de combustible en el cilindro cerca de la bujía justo antes del encendido. El sistema de inyección era puramente mecánico, mediante un cilindro de bombeo temporizado y una válvula antirretorno.
En su carrera descendente, comprime la mezcla rica a aproximadamente 70 psi, momento en el cual la presión creciente levanta una válvula de asiento cargada por resorte de su asiento y la carga se inyecta en el cilindro. Allí se dirige a la zona de la bujía y se enciende. La presión de combustión cierra inmediatamente la válvula de asiento accionada por resorte y de ahí en adelante ( sic ) solo un proceso de encendido de carga estratificada "regular" con el frente de llama encendiendo esas áreas de mezcla pobre en el cilindro. [2]
Volkswagen utiliza actualmente carga estratificada en sus motores de gasolina TFSI ( Inyección estratificada de combustible turbo ) de inyección directa 1.0, 1.2, 1.4, 1.5, 1.8 y 2.0 litros , en combinación con turbocompresor .
Mercedes-Benz utiliza desde hace mucho tiempo motores de carga estratificada con su sistema Blue DIRECT.
Con la aplicación de carga estratificada, el motor V-6 de 3.0 L continuará empleando inyección directa de combustible, pero los inyectores han sido rediseñados para rociar a mayor presión más adelante en la carrera de admisión, justo antes de la compresión, y el combustible está diseñado para llegar a ciertas áreas dentro del cilindro para optimizar la combustión. Esta estrategia genera una mezcla de aire y combustible dentro de la cámara que es mucho más pobre que con un sistema de carga homogéneo convencional que llena la cámara de manera más uniforme antes de la combustión.
SAE International ha publicado artículos sobre trabajos experimentales con motores de carga estratificada. [3]
La inyección estratificada de combustible turbo ( TFSI ) es una marca registrada del Grupo Volkswagen para un tipo de motor de aspiración forzada (" turbo ") en el que el combustible se inyecta a presión directamente en la cámara de combustión de tal manera que se crea una carga estratificada. La tecnología de inyección directa FSI aumenta el par y la potencia de los motores de encendido por chispa , los hace hasta un 15 por ciento más económicos y reduce las emisiones de escape. [4]
Algunas ventajas de los motores TFSI:
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